專利名稱：多缸合作變壓縮比發(fā)動機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于發(fā)動機結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及發(fā)動機熱效率提高問題，實現(xiàn)徹底的阿特金森循環(huán)，
現(xiàn)有技術(shù)為了更好地利用現(xiàn)有能源，越來越多的發(fā)動機生產(chǎn)者將目光投向阿特金森循環(huán)。 在4沖程發(fā)動機的運作中，最初實現(xiàn)阿特金森循環(huán)的方法是利用延遲關(guān)閉進氣閥開關(guān)的方法，以減少進氣量，同時增大壓縮比使第三沖程膨脹做功能夠更多?，F(xiàn)代發(fā)動機常用的實現(xiàn)阿特金森循環(huán)的方法，是用電路代替凸輪控制，將進氣閥提早關(guān)閉。而此方法不可避免的問題包括1.活塞總行程過長，消耗較多活塞摩擦功；2.進一步絕熱膨脹，體積增加需求很大；3.提早關(guān)閉氣閥的目的與增壓器功能矛盾。因此權(quán)衡考慮，大部分阿特金森循環(huán)發(fā)動機都只增加了理論體積的一小部分從而實現(xiàn)了部分阿特金森循環(huán)，且實現(xiàn)阿特金森循環(huán)的發(fā)動機其燃氣速率普遍較低。完全的理想阿特金森循環(huán)比現(xiàn)有奧托循環(huán)能多做功30% 以上，單位油耗可減少23%以上。而最新的阿特金森循環(huán)發(fā)動機的完成值遠遠不到此理論值。例如09年豐田最新款汽車普銳斯利用的就是阿特金森循環(huán)，其油耗比不用阿特金森循環(huán)降低了 8. 5%。同年中國的長安汽車研制成功中國首臺阿特金森循環(huán)發(fā)動機其各項指標均達到國際先進水平，其發(fā)動機單點油耗降低最高可達19%，全工況平均降低8 10%，依舊沒有超過23%這一理論預(yù)言最低值。本發(fā)明的作用是在提升相同熱效率的條件下，將發(fā)動機的總活塞行程縮短，同時明顯減小發(fā)動機總體積，并允許增壓器的使用。從而為現(xiàn)代汽車汽車上實現(xiàn)徹底的阿特金森循環(huán)降低功耗和體積成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在提升相同熱效率的條件下，將發(fā)動機的總活塞行程縮短，同時明顯減小發(fā)動機總體積。從而降低汽車發(fā)動機實現(xiàn)阿特金森循環(huán)或部分阿特金森循環(huán)的功耗和體積成本。本發(fā)明所用的解決此技術(shù)問題的方案是將原本直接排出的廢氣在第四沖程開始排氣時，直接轉(zhuǎn)移到一個更大體積的氣缸中，實現(xiàn)進一步膨脹，從而使工作氣體在排入大氣前，通過繼續(xù)對外做的功產(chǎn)生出更多能量輸出。此方法的一種具體的實現(xiàn)方法是將大小不同的兩個氣缸對接，小氣缸的出氣口和大氣缸的進氣口緊密連接，連接處用一個氣閥b控制，保留小氣缸的進氣閥a，和大氣缸的出氣閥c，且小氣缸與大氣缸共用曲軸，在曲軸上的相位相差180度。小氣缸做普通的4 沖程循環(huán)，每當(dāng)小氣缸完成第三個沖程(膨脹做功)，準備進入第四個沖程(排氣)時，b閥打開，a、c閥保持關(guān)閉。使大小氣缸聯(lián)通成密封氣體，然后小氣缸開始排氣，大氣缸開始進氣。小氣缸中活塞做負功，大氣缸中活塞做正功，而大小氣缸的做功的和就是阿特金森循環(huán)相對奧拓循環(huán)對外多輸出的功。當(dāng)小氣缸排氣完成時大氣缸活塞移至下止點，缸內(nèi)氣體較開始時更接近大氣壓，甚至等于大氣壓。然后打開a，關(guān)閉b閥，小氣缸進入下一個循環(huán)中的第一沖程(吸氣)，而大氣缸則排出廢氣。此實現(xiàn)方法還包含幾項技術(shù)改進(為方便起見設(shè)阿特金森循環(huán)的最大壓縮比是M，奧拓循環(huán)的壓縮比是m，而最小體積是V。)1.修改氣閥關(guān)閉位置，如大氣缸無法徹底排氣或兩氣缸連接部分有不能忽略的剩余體積時，需提早關(guān)閉氣閥，使大氣缸中剩余氣體有一段絕熱回壓過程，使大氣缸內(nèi)氣體在 b臨近打開前，達到小氣缸內(nèi)氣體壓強。這是為了避免b閥打開前兩氣缸壓強不同，導(dǎo)致自由擴散的熵增從而損失能量，其壓縮能將在之后的整體絕熱膨脹中釋放，從而前后抵消。設(shè) V1為大氣缸活塞與b閥之間密封的最小體積，V2為關(guān)閉氣閥時密封的體積，則V2由下式確
,V2 (M-l)x V + V2 + V MxV-TV2 MxV M 一 , m … , ,Λ ,,
定；=η,χν.ν； = ^Τ^ = ^ = A所以如果V1足夠小，則V2也會很小。因此計算總體積時可以暫時忽略。2.考慮到大氣缸每兩個周期使用一次，即只在一半時間使用，因此可以讓兩個小氣缸輪流與同一個大氣缸合作，從而省去另一個大氣缸的體積。3.在小氣缸的第四沖程完成前，大小氣缸共同密封的氣體膨脹過程中，如果密封氣體氣壓小于等于a閥另一側(cè)氣壓，則在小氣缸進入第一沖程前提早打開a閥，使燃氣提早進入小氣缸并將小氣缸中的廢氣擠出。如小氣缸中廢氣比例依舊大于燃氣而第四沖程已經(jīng)結(jié)束時關(guān)閉b閥和c閥。如小氣缸中燃氣比例較大而第四沖程已經(jīng)結(jié)束時，關(guān)閉b閥，且b 閥關(guān)閉后，當(dāng)大氣缸活塞到達下止點，或大氣缸內(nèi)氣壓小于等于大氣壓時，打開C閥。附加說明關(guān)于此方案在只有一個小氣缸與大氣缸組合的情況下，小氣缸在第二第三沖程時大氣缸都保持空轉(zhuǎn)，只消耗活塞運動的摩擦阻力，在空轉(zhuǎn)期間c閥有兩種狀態(tài)選擇，關(guān)閉，兩沖程中做無熵增的絕熱來回運動，打開，做無內(nèi)外壓差的來回運動。對比現(xiàn)有技術(shù)1.有效氣缸體積更小。比較各發(fā)動機汽缸部分的總體積和單次循環(huán)總行程(設(shè)氣缸活塞面積S相等，L = V/S) 1)傳統(tǒng)奧拓循環(huán)發(fā)動機為mV和4(m-l)L;2)現(xiàn)有技術(shù)方案的徹底阿特金森循環(huán)發(fā)動機為MV和4(M-1)L ；3)未用此合并改進的本發(fā)明設(shè)計的發(fā)動機(M-l+m)V > MV和4(M+m-2)L > 4 (M-I) L ；4)經(jīng)過此改進后的本發(fā)明設(shè)計的發(fā)動機平均 ((M-l)/2+m)V和2(M+2m-;3)L。實物比較例如m = 8,M = 32 (這是徹底實現(xiàn)阿特金森循環(huán)大約的體積)，則四種情況比值8 32 39 23和14 62 76 43。顯然相對現(xiàn)有技術(shù)對應(yīng)體積有明顯縮小。2.有效總體積更小。如果考慮曲軸箱體積，就我所了解的發(fā)動機曲軸箱體積與氣缸體積相當(dāng)甚至是其1.5倍，其實是受到活塞往復(fù)范圍決定的，則如果按照氣缸體積 1.5倍計算，m依舊取8，M依舊取32，且假設(shè)相同條件下阿特金森循環(huán)發(fā)動機曲軸箱與奧拓循環(huán)發(fā)動機曲軸箱同樣大(實際應(yīng)該更大)。則對于4缸發(fā)動機，原奧托循環(huán)發(fā)動機體積為V1 = (8V+8V*1. 5)*4 = 80V，現(xiàn)有技術(shù)如果徹底實現(xiàn)阿特金森循環(huán)的體積為V2 = (32V+8V*1. 5)*4 = 176V 比 V1 大了 120%，本發(fā)明可實現(xiàn)的體積為 V3 = 23V*4+8V*1. 5*6 = 164V < V2,比 V1 大了 105%。3.解決了現(xiàn)有發(fā)動機凸輪幾何形狀限制變壓縮比控制的世界級難題。由于小氣缸大致按照標準的4沖程循環(huán)控制氣閥，因此凸輪沒有幾何形狀限制問題，可正常開閥，開閥的時間周期比都在1/4左右。而與兩個小氣缸組合的大氣缸，由于周期是小氣缸的一半，c 閥開閥的時間周期比約1/2，大于小氣缸，所以凸輪形狀要求更低。因此相比現(xiàn)有阿特金森循環(huán)發(fā)動機可以實現(xiàn)更大的壓縮比變化，從而實現(xiàn)更徹底的理論循環(huán)。4.另外，本發(fā)明使用增壓器，在同時保留增壓器的效果，和阿特金森循環(huán)的熱效率上，比現(xiàn)有技術(shù)更好。因為增壓器的目的是增壓燃氣進入量，產(chǎn)生工多做功，但也因此有更高密度的氣體被直接排出。由熵原理可知同樣內(nèi)能的確定量廢氣，體積越小熵越低，因此浪費的剩余能量比沒有增壓器時更多。通過阿特金森循環(huán)無論多密的剩余氣體，都可以通過大比例膨脹的方法對其自由膨脹能最大化利用。增壓器的使用等效于將進氣沖程變長，即 1、2沖程的等效壓縮比變大，3、4沖程不變，所以與3、4沖程的壓縮比大于1、2沖程的阿特金森循環(huán)相比，熱效率低得多，這兩個改進在單汽缸中同時實現(xiàn)會導(dǎo)致活塞行程的摩擦消耗更大。本發(fā)明與現(xiàn)有單缸實現(xiàn)阿特金森循環(huán)的技術(shù)相比，如果在相同增壓效果，相同熱效率利用時，可以減少比對比1更多的活塞總行程。因此如果考慮增壓器的加入，本發(fā)明在現(xiàn)有發(fā)動機上的優(yōu)勢更明顯。


圖1為無任何改進時的本發(fā)明樣圖。圖2為改進1的具體操作圖示。其中活塞Sl在1號位和2號位之間來回運動，活塞2在3號位和5號位之間來回運動，1號位和b閥之間是小氣缸的最小體積取V，則2號位對應(yīng)小氣缸體積mV，b閥到活塞S2之間的密封的體積均歸入大氣缸體積，的3號位為大氣缸最小體積V1，關(guān)閉氣閥c時活塞在4號位，對應(yīng)體積為v2，最大體積即5號位對應(yīng)(M-I) V+v2, (Si在1號位，S2在5號位時為整體最大體積MV)。圖3為改進2中所說的雙小氣缸與大氣缸合作的方法樣圖。具體實施方法沒有任何改進就能實現(xiàn)的具體實施方法將大小不同的兩個氣缸對接，小氣缸的出氣口和大氣缸的進氣口緊密連接，連接處用一個氣閥b控制，保留小氣缸的進氣閥a，和大氣缸的出氣閥c，且小氣缸與大氣缸共用曲軸，在曲軸上的相位相差180度。小氣缸做普通的4沖程循環(huán)，每當(dāng)小氣缸完成第三個沖程(膨脹做功)，準備進入第四個沖程(排氣) 時，b閥打開，a、c閥保持關(guān)閉。使大小氣缸聯(lián)通成密封氣體，然后小氣缸開始排氣，大氣缸開始進氣。在小氣缸到達上止點，即完成第四沖程時，b閥關(guān)閉，a、c閥打開，大氣缸開始排氣。完成一次工作流程。
權(quán)利要求
1.一種4沖程發(fā)動機的改進設(shè)計，包括吸氣沖程，壓縮沖程，點燃并膨脹沖程，排氣沖程。工作氣體在其內(nèi)部的工作流程為，吸氣——壓縮——點燃并膨脹做功——進一步膨脹做功——排氣。其特征是由容積一大一小兩個氣缸共同完成一次工作循環(huán)，其中小氣缸為 4沖程發(fā)動機，小氣缸中完成第三沖程的氣體，在第四沖程中轉(zhuǎn)移到大氣缸并推動該汽缸的活塞運動做功。
2.權(quán)利要求1中描述的一種改進設(shè)計。其特征是小氣缸與大氣缸的活塞連桿連接同一曲軸，兩活塞連桿在曲軸上的相位差為180°，小氣缸排氣口與大氣缸進氣口連接，小氣缸在進入第四沖程時大氣缸的排氣閥處于關(guān)閉狀態(tài)，小氣缸完成第四沖程時大氣缸排氣閥處于打開狀態(tài)。
3.權(quán)利要求2中描述的設(shè)計。其特征是在同一排氣過程中氣閥c的關(guān)閉早于活塞到達上止點的時間，并在到達上止點前壓縮大氣缸中剩余氣體。
4.權(quán)利要求2或3中描述的設(shè)計。其特征是由兩個小缸和一個大氣缸組成，三個氣缸的活塞連桿連接同一曲軸，兩個小氣缸在曲軸上的相角相同，與大氣缸的相角均相差 180°，兩小氣缸工作中一個在第一沖程時另一個在第三沖程，兩個小氣缸交替與大氣缸聯(lián)通工作。
全文摘要
本發(fā)明涉及多缸合作變壓縮比發(fā)動機。將原本直接排出的廢氣在第四沖程開始排氣時，直接轉(zhuǎn)移到一個更大體積的氣缸中，實現(xiàn)進一步膨脹，從而使工作氣體在排入大氣前，通過繼續(xù)對外做的功產(chǎn)生出更多能量輸出。在提升相同熱效率的條件下，將發(fā)動機的總活塞行程縮短，同時明顯減小發(fā)動機總體積。從而降低汽車發(fā)動機實現(xiàn)阿特金森循環(huán)或部分阿特金森循環(huán)的功耗和體積成本。
文檔編號F02D15/02GK102220908SQ201010150890
公開日2011年10月19日 申請日期2010年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月19日
發(fā)明者張焱凱 申請人:張焱凱